1903 utnämndes Lilliehöök till stabsadjutant och löjtnant vid generalstaben, och 1905 (1910?) blev han stabsadjutant och kapten där, samt kapten vid Upplands artilleriregemente. Han avancerade till major i armén 1913 samt till överadjutant och major vid generalstaben 1914. Två år senare blev han överstelöjtnant vid generalstaben och erhöll 1917 samma titel vid Wendes artilleriregemente. 1919 blev han överste i armén, samt 1922 tillika chef för Wendes artilleriregement. Han avslutade sin militära bana som brigadchef vid Östra arméfördelningen 1927 samt var från 1928 även inspektör för militärläroverken.
Lillihöök erhöll ett flertal svenska ordnar samt även en utländsk (ryska Sankt Annas ordens 3:e klass 1909). Han blev såväl riddare (1914) som kommendör av andra klassen (1922) och av första klassen (1926) av Svärdsorden samt vidare riddare av Vasaorden (1916). 1915 blev han ledamot av Kungliga Krigsvetenskapsakademien.